DE102011056864A1

DE102011056864A1 - Wärmeversorgungssystem und Wärmeversorgungsverfahren

Info

Publication number: DE102011056864A1
Application number: DE102011056864A
Authority: DE
Inventors: Lubor Chytil
Original assignee: Az Pokorny Trade S R O; AZ-Pokorny Trade sro
Current assignee: FLEXIRA S.R.O., CZ
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013091892A3; EP2795199A2; ES2569195T3; PL2795199T3; HUE028938T2; WO2013091892A4; DK2795199T3; EA027263B1; SI2795199T1; EP2795199B1; EA201400733A1; WO2013091892A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeversorgungssystem mit einem ersten Leitungskreis, in dem ein Wärmeerzeuger und wenigstens ein Wärmeverbraucher angeordnet sind, einem zweiten, mit dem ersten verbindbaren Leitungskreis, der wenigstens ein Speicherelement und eine Pumpenanordnung zum Laden und Entladen des Speicherelements enthält und einem dritten Leitungskreis, der im Besonderen eine Wärmesenke enthält, über die trägheitsarm Wärmemengen von externen Wärmequellen in das in den Leitungskreisen zirkulierende Medium übernommen werden können. Die Wärmesenke ist dabei ein hoch effektiver Wärmetauscher, der kein oder nur ein geringes Speichervolumen hat. Das Wärmeversorgungsverfahren ist so ausgestaltet, dass die verfügbaren Wärmemengen vor allem der Wärmesenke entnommen werden, bei Überangebot eine Speicherung im Speicherelement erfolgt und der im ersten Leitungskreis angeordnete Wärmeerzeuger nach Möglichkeit nicht in Betrieb genommen werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeversorgungssystem, bei dem eine Wärmequelle einen Wärmeverbraucher mit den benötigten Wärmemengen versorgt und bei dem dieser Anordnung zusätzlich eine Wärmesenke und ein Wärmespeicher zuggeordnet sein kann. Die Erfindung betrifft weiter ein Wärmeversorgungsverfahren, das unter Verwendung des oben beschriebenen Wärmeversorgungssystems ausgeführt wird.
Wärmeversorgungssysteme der oben beschriebenen Art sind an sich bekannt. Wenigstens ein Wärmeerzeuger, vornehmlich ein Heizkessel liefert ein flüssiges (Heiz-)Medium an einen Wärmeverbraucher, wobei das Medium in dem zugehörigen Leitungskreis zirkuliert. Auf der Erzeugerseite kann anstelle oder zusätzlich zum Wärmeerzeuger eine so genannte Wärmesenke angeordnet sein, über die Wärmeerzeuger in externen Leitungskreisen anschließbar sind. Dazu gehören insbesondere solarthermische Kollektoren, Erdwärmesonden, Wärmepumpen oder Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung. Auf der Verbraucherseite sind Leitungskreise zu Heizkörpern, Wärmetauschern von Klimaanlagen, Wärmetauscher von Swimmingpools, Heizungen von Gewächshäusern oder Swimmingpools sowie Leitungskreise zur Erzeugung von Brauchwasser angeschlossen. Oben stehende Aufzählungen sind lediglich beispielhaft.
Die verschiedenen Wärmequellen arbeiten mit unterschiedlichen Medien und transportieren zugleich auch unterschiedliche Wärmemengen. So muss beispielsweise bei solarthermischen Kollektoren ein Medium zirkulieren, das frostgeschützt ist. Hinsichtlich der Medientemperaturen wird ein konventioneller Heizkessel Medium mit einer Grenztemperatur von max. 80° C liefern, während ein solarthermischer Kollektor gegebenenfalls über 100° C erwärmtes Medium liefert. Außerdem können auch Medien mit niedrigeren Grenztemperaturen in ein Wärmeversorgungssystem eingebunden sein, beispielsweise über eine so genannte Wärmepumpe.
In solchen Wärmeversorgungssystemen ist es unerlässlich, die in den externen Leitungskreisen vorhandenen Wärmemengen über eine so genannte Wärmesenke dem (Heiz-)Medium nutzbar zu machen.
In allen Fällen wird als Wärmesenke eine Einrichtung eingesetzt, die einen Wärmetauscher und einen Wärmespeicher miteinander kombiniert.
In Kenntnis, dass zwischen Aufkommen an erwärmtem Medium, mithin dem Aufkommen an Wärmemengen, und dem Verbrauch an Wärmemengen ein Missverhältnis entstehen kann, werden den Wärmetauschern Speichervolumina zugeordnet, um bei Ungleichgewichten zwischen Erzeugung und Verbrauch eine Zwischenspeicherung der Wärmemengen zu ermöglichen. Nachfolgend werden solche Geräte als Kombispeicher bezeichnet.
Für bekannte Wärmeversorgungssysteme ist beispielhaft die Anlage mit der Bezeichnung CTC Eco Zenith I 555 der Firma CTC AB, 341 26 Ljungby, Schweden zu erwähnen. Dieses System hat einen Kombispeicher als Zentraleinheit, wobei der Wärmetauscher ein Spiralwärmetauscher ist, der das gesamte eingeschlossene Medium erwärmt. Die zugeführte Wärmemenge ist dabei nicht in der Lage, das gesamte gespeicherte Medium schnell zu erwärmen. Insoweit ist ein Wärmeversorgungssystem mit einer solchen Zentraleinheit ausgesprochen träge.
Insbesondere in energieoptimierten Wärmeversorgungssystemen, wie beispielsweise bei in Eigenheimen installierten Systemen, werden nur Heizleistungen von etwa 4 KW und weniger installiert. Der tatsächliche Wärmebedarf für den Erhalt der Raumtemperaturen liegt gewöhnlich noch darunter.
Bei Inbetriebnahme sowie bei jedem Aufheizvorgang muss die installierte Wärmequelle zunächst das gesamte gespeicherte Medium aufheizen, bevor Nutzwärme entnommen werden kann. Eine solche Anlage hat deshalb eine große Trägheit.
Im Kombispeicher bildet sich dabei auch eine Temperaturschichtung dergestalt aus, dass ein Temperaturgefälle von oben nach unten entsteht. Wird in diesem Zustand durch Wärmeverbraucher eine Wärmemenge entzogen, kühlt sich im oberen Bereich des Kombispeichers das Medium mit der höchsten Temperatur am stärksten ab und kann ein Temperaturniveau erreichen, das unter dem tieferer Schichten liegt. Die Folge der Temperaturumkehr ist, dass das nunmehr kühle Medium nach unten sinkt und damit ein Austausch des Mediums im Kombispeicher zustande kommt. Es entstehen dabei Verwirbelungen, die zu einer Mischtemperatur führen, wobei der Kombispeicher ohne Wärmezufuhr keine Wärmemengen mehr liefern kann.
Bei einem starken Temperaturgefälle kann sich im Inneren des Kombispeichers ein Torus aus Kaltwasser bilden, der beim Sinken Medium verdrängt, durchmischt und auf der Verbraucherseite nicht gewünschte Temperaturänderungen in den Leitungskreisen verursacht.
Zur Vermeidung solcher Effekte haben verschiedene Hersteller in die Wärmetauscherspeichereinheiten Querschotte, Überströmkanäle und dergleichen angeordnet, die solche unerwünschten Effekte vermeiden sollen. Damit steigt jedoch der Aufwand bei der Herstellung solcher Einheiten.
Eine Ausführungsform eines solchen Kombispeichers, die mit einem Minimum an strömungsleitenden Elementen auskommen soll, ist der SPIRA Kombispeicher der Firma FEURON AG, 9430 St. Margrethen, Schweiz. Bei diesem Kombispeicher wird versucht, durch eine spezielle Wendelung einer Rohrschlange, die hier als Schichtladeeinheit bezeichnet ist, eine gleichmäßige Erwärmung unter Beachtung des Entstehens des Temperaturgefälles zu erreichen. Auch dieser Aufbau stellt nicht sicher, dass keine Tori entstehen können. Das große Speichervolumen wiederum wirkt dem Bestreben entgegen, die Aufheizzeiten zu verkürzen. Mithin sind auch mit diesem Kombispeicher aufgebaute Wärmeversorgungssysteme träge und haben keine ausreichenden Steuerungsmöglichkeiten bei einem Überangebot an Wärmemengen. Andererseits müssen fehlende Wärmemengen durch Betrieb von konventionellen Wärmeerzeugern ausgeglichen werden.
Es besteht deshalb ein Bedarf an Wärmeversorgungssystemen, die ohne Trägheit sowohl Wärmemengen abnehmen können als auch ohne Trägheit Wärmemengen an Verbraucher bereitstellen können. Ferner besteht ein Bedarf an Wärmeversorgungssystemen, die einfach aufgebaut sind, hinsichtlich der Speicherung von Wärmemengen in weiten Bereichen variabel sind und auf diese Weise sowohl erzeugerseitig als auch speicherseitig und verbraucherseitig optimierbar sind und im Hinblick auf die Installationskosten einen deutlich verringerten Aufwand verursachen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeversorgungssystem vorzuschlagen, das an individuelle Erfordernisse leicht angepasst werden kann, mit geringer Trägheit arbeitet und deshalb schnell erwärmtes (Heiz-)Medium liefert, einfach aufgebaut und einfach steuerbar ist und im Vergleich mit bekannten Wärmeversorgungssystemen deutlich verminderte Installations- und Betriebskosten verursacht.
Diese oben stehende Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeversorgungssystem mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Patentanspruches. Nebenund nachgeordnete Patentansprüche beschreiben Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems. Die oben stehende Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Wärmeversorgungsverfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 8 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes dieses Anspruches.
In der nachstehenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen werden die nachstehend aufgeführten Begriffe mit folgendem Bedeutungsinhalt verwendet:
Wärmeversorgungssystem – ist eine Anlage, die wenigstens aus einer Wärmequelle und einem im gleichen Leitungskreis angeordneten Wärmeverbraucher besteht. Zusätzlich können in weiteren Leitungskreisen, die mit dem ... Leitungskreis verbindbar sind, eine Wärmesenke und/oder ein Speicherelement angeordnet sein.
Wärmesenke — ist ein Mittel, das die Übergabe von Wärmemengen von einem ersten Medium an ein zweites Medium ohne Vermischen der Medien miteinander ermöglicht.
Wärmetauscher — ist ein Mittel, eine Wärmesenke auf geeignete Weise auszubilden, indem in einem Behälter ein erstes Medium und durch einen Separator getrennt ein zweites Medium vorhanden ist, wobei zwischen beiden Medien ein Wärmeaustausch erfolgt.
Leitungskreis — ist ein geschlossenes bzw. ein offenes Leitungssystem, das ein Medium zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmeverbraucher oder zwischen einer Wärmesenke und einem Wärmeverbraucher oder zwischen einem Wärmespeicher und einem Wärmeverbraucher führt.
Wärmespeicher — ist ein Mittel, das in einem Behälter Wärmemengen tragendes Medium enthält und von einem Wärmeerzeuger oder einer Wärmesenke mit Wärmemengen versorgt wird bzw. an Wärmeverbraucher oder an die Wärmesenke Wärmemengen abgibt.
Separator — ist das zwei verschiedene Medien innerhalb des Behälters eines Wärmetauschers trennende Element, das zugleich eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zur Realisierung eines trägheitsarmen Wärmeaustauschs besitzt.
Nach der Erfindung wird ein Wärmeversorgungssystem der an sich bekannten Art mit wenigstens einem Wärmeerzeuger, wenigstens einer Wärmesenke und wenigstens einem Wärmeverbraucher so ausgestaltet, dass im Bereich der Wärmesenke ein effektiver Wärmeaustausch zwischen den beteiligten Medien erfolgt, die beim Wärmeaustausch auftretende Trägheit sehr gering ist und im Übrigen ein geringer gerätetechnischer Aufwand vorhanden ist.
Nach der Erfindung wird ferner davon ausgegangen, dass die im Stand der Technik bekannten Anlagen insoweit verbessert werden, dass eine primäre Wärmequelle in der Form eines Heizkessels, einer Wärmepumpe, eines Gerätes mit Kräft-Wärme-Kopplung oder einer Elektro- bzw. Gastherme direkt ohne Zwischenschaltung einer Wärmesenke mit den Wärmeverbrauchern verbunden wird und auf diese Weise der Wirkungsgrad der vorgenannten Einrichtungen nicht durch zwischengeschaltete Wärmetauscher oder Speichervolumina abgesenkt wird.
Weiterhin wird nach der Erfindung davon ausgegangen, dass für die notwendigerweise zum Anschluss externer Wärmequellen im Wärmeversorgungssystem vorhandene Wärmesenke ein hoch effektiver Wärmetauscher mit geringer Trägheit und einem minimalen Speichervolumen zum Einsatz kommt.
Weiterhin soll nach der Erfindung ein Speicher dem Wärmeversorgungssystem zugeordnet sein, der in der Lage ist, große Wärmemengen zu speichern und der ausschließlich diese Aufgabe hat.
Ein weiteres Element der Erfindung ist eine in der Zuleitung des Speichers angeordnete Pumpenanordnung, die es erlaubt, die Förderrichtung der darin enthaltenen Pumpe zu ändern.
Soweit zur Aufrechterhaltung von Kreisläufen der Einsatz von Pumpen notwendig ist, sollen diese in ihrer Leistung an die aktuell vorhandenen Notwendigkeiten angepasst betrieben werden.
Schließlich wird bei der Erfindung davon ausgegangen, dass jedes Element in dem Wärmeversorgungssystem nach der ihm zukommenden Aufgabe in seinen Eigenschaften optimiert wird und die aus dem Stand der Technik durch Kombinationen verschiedener Aufgaben in einzelnen Elementen notwendigen Kompromisse ausgeschlossen werden.
Nach der Erfindung wird ein Wärmeversorgungsverfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems vorgeschlagen, das nutzbare externe Wärmequellen, wie thermische Solarkollektoren, mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeitende Aggregate, in technischen Prozessen integrierte Kühleinrichtungen, wie Abgas-Wärmetauscher und dergleichen, für die Erzeugung der im Wärmeversorgungssystem benötigten Wärmemengen bevorzugt.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, die überschüssigen Wärmemengen in einem Speicher zwischenzuspeichern und bei Bedarf von dort wieder dem Kreislauf zuzuführen.
Erfindungsgemäß soll weiterhin, solange aus der Wärmesenke oder aus dem Speicher gelieferte Wärmemengen ausreichend sind, eine vorhandene Wärmequelle außer Betrieb gesetzt bleiben.
Es ist ferner vorgeschlagen, den Betrieb des Wärmeversorgungssystems mithilfe einer Steuerung zu führen, wobei diese stets eine Wärme- und Energiebilanz des Wärmeversorgungssystems ermittelt und davon Steuerbefehle an die im System vorhandenen Einheiten ableitet.
Die Wärmesenke ist so ausgelegt, dass sie bei kleinstem Volumen einen größtmöglichen Umwandlungsgrad hat und durch ihre Bauweise kein unnötiges, Trägheit erzeugendes, Volumen vorhanden ist. Um eine solche Wärmesenke hinsichtlich der Kosten für die Herstellung zu optimieren, ist der diese bildende Wärmetauscher als zylindrischer Behälter mit wenigstens einer im Inneren angeordneten spiralförmigen Rohrschlange ausgeführt. Gegenüber bekannten Kombispeichern nimmt die Rohrschlange einen bedeutend größeren Volumenanteil des Behälters im Wärmetauscher ein. Das rohrförmige Gehäuse minimiert weiterhin die Oberfläche des Behälters des Wärmetauschers, wobei dieser durch eine Ummantelung in hohem Maße wärmeisoliert ist. Durch die ausgeführten Maßnahmen erreicht der Wärmetauscher einen Wirkungsgrad q₁₀₀ von wenigstens 90 %.
Nach der Erfindung wird die Wärmesenke so ausgeführt, dass mithilfe eines hocheffektiven Wärmetauschers ein schneller Wärmeübergang erfolgt und dabei auf eine Speicherung von erwärmtem Medium verzichtet wird. Sofern eine Speicherung von Wärmemengen notwendig ist, erfolgt diese ausschließlich in zusätzlich angeordneten Speicherelementen, die über einen eigenen Leitungskreis an die Wärmesenke angeschlossen sind.
Der eingesetzte Wärmetauscher hat weiterhin gegenüber den bekannten Kombispeichern Vorteile dahingehend, dass die geringeren Abmessungen keine ausgeprägten Strömungen und Schichtbildungen innerhalb des Behälters zulassen.
Erfindungsgemäß wird damit erreicht, dass die mit erwärmten Medien ankommenden Wärmemengen von einem ersten Medium schnell auf ein zweites Medium, das eigentliche Heizmedium, übertragen werden, dieses auf eine Solltemperatur erwärmt wird und ebenso schnell der Abtransport der Wärmemengen mit dem zweiten Medium erfolgen kann.
Dies erfolgt in einem Wärmetauscher, der innerhalb eines Behälters eine Rohrschlange aus einem Wellrohr oder Wellschlauch besitzt. Außerdem wird im Wellrohr oder Wellschlauch eine Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, die bewirkt, dass die Strömung turbulent wird und auf diese Weise sich der Wärmeaustausch intensiviert.
Um dies zu erreichen, ist der Wärmetauscher so ausgelegt, dass in Abhängigkeit vom geforderten Volumenstrom die einzusetzenden Rohrschlangen so dimensioniert sind, dass die turbulente Strömung im Normalbetrieb immer vorhanden ist.
Es ist weiterhin möglich, im Wärmetauscher mehrere Rohrschlangen anzuordnen. Dies kann dann zweckmäßig sein, wenn mehrere externe Quellen den Wärmetauscher speisen und diese Quellen hinsichtlich Temperatur, Volumenstrom und Eigenschaften der zirkulierenden Medien Unterschiede aufweisen.
Auf diese Weise können unterschiedlichste Wärmequellen eingesetzt werden. Es ist lediglich notwendig, dass diese eine Zufuhr von Wärmengen bewirken.
Treten im Wärmeversorgungssystem häufiger Überangebote an Wärmemengen auf, wie dies typischerweise beim Anschluss solarthermischer Kollektoren der Fall ist, kann ein im System vorhandenes Speicherelement die überschüssigen Wärmemengen zwischenspeichern und auf diese Weise die Wärmeversorgung puffern.
Das zu installierende Speichervolumen ist dabei nahezu unbegrenzt, da die Speicherelemente hinsichtlich ihres Volumens und der Anzahl derselben frei wählbar sind.
Das Laden bzw. Entladen der Speicherelemente kann durch eine Pumpenanordnung erfolgen, die mit einer Pumpe einen Betrieb in zwei Förderrichtungen ermöglicht.
Um diese Pumpe energieoptimal zu betreiben, wird sie über Pulsweitenmodulation angesteuert und erhält immer genau die Energiemenge, die zum Erreichen der vorgegebenen Förderströme notwendig ist.
Auf die gleiche Weise können alle im Wärmeversorgungssystem vorhandenen Pumpen angesteuert werden.
Das Wärmeversorgungssystem wird über eine Steuereinheit so gesteuert, dass stets ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Energieverbrauch und Energiezuführung besteht. Dabei sorgt die Steuerung dafür, dass zunächst mit hoher Priorität Energiemengen bereitgestellt werden, die von natürlichen Quellen (solarthermisch, Erdwärme) oder aus Verlustwärmemengen technischer Prozesse (z. B. Abgaswärme) stammen. Gibt es bei diesen Quellen ein Überangebot an Wärmemengen, wird zunächst mit hoher Priorität der erste Leitungskreis, dass heißt die Wärmeverbraucher, versorgt und mit niedrigerer Priorität vorhandene Speicher geladen.
Erst wenn ein Fehlbedarf an Wärmemengen vorhanden ist, der nicht mehr mit gespeicherten Wärmemengen auszugleichen ist, wird die systeminterne Wärmequelle zum Nachheizen eingesetzt.
Die Steuerung hat mehrere pulsweitenmodulierte Ausgänge, an die jeweils Pumpen des Wärmeversorgungssystems angeschlossen werden können.
Das Wärmeversorgungsverfahren ist so ausgestaltet, dass zunächst in einem ersten Leitungskreis mit einem Wärmeerzeuger, der ein herkömmlicher Heizkessel, eine Wärmepumpe oder ein Elektroboiler sein kann, ein erwärmtes Heizmedium erzeugt und mit Hilfe einer Pumpe zu einem Wärmeverbraucher gefördert wird. Gleichzeitig wird in einem dritten Leitungskreis von einer Wärmesenke erwärmtes Heizmedium geliefert, das anteilig in den ersten Leitungskreis eingespeist wird. Sofern die Zufuhr an erwärmtem Heizmedium aus dem dritten Leitungskreis ausreichend ist, wird die im ersten Leitungskreis befindliche Wärmequelle zurückgefahren oder gänzlich abgeschaltet. Eine Steuerung überwacht diese Vorgänge und erzeugt aus im Wärmeversorgungssystem erfassten Messwerten eine Wärmebilanz. Abhängig davon wird erwärmtes Heizmedium aus der Wärmesenke, oder von der Wärmequelle bezogen und an die Wärmeverbraucher weiter geleitet.
Das Wärmeversorgungsverfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass bei einem Überangebot in der Wärmebilanz anteilig Wärmemengen einem Speicherelement zugeführt werden und von dort bei einem Fehlbedarf wieder abrufbar sind. Die Steuerung bezieht in diesem Fall gespeicherte Wärmemengen in die zu ermittelnde Wärmebilanz mit ein und behandelt dabei Wärmemengen aus dem dritten Leitungskreis mit höchster, Wärmemengen aus dem zweiten Leitungskreis mit nachgeordneter und durch die Wärmequelle zu erzeugende Wärmemengen mit niedrigster Priorität.
Hinsichtlich des Wärmeverbrauches behandelt die Steuerung im ersten Leitungskreis entstehenden Wärmebedarf mit oberster Priorität und im zweiten bzw. im dritten Leitungskreis entstehende Bedarfslücken mit niedrigrer Priorität.
Das Wärmeversorgungssystem kann über Ventil- und Pumpensteuerungen so ausgeführt sein, dass beispielsweise gespeicherte Wärmemengen aus dem Speicherelement in den dritten Leitungskreis gefördert werden können und über die Wärmesenke beispielsweise den Kreislauf eines solarthermischen Kollektors anheizen, damit dieser beispielsweise im Fall von Vereisung oder eines Schneebelages frei wird und so zum frühest möglichen Zeitpunkt wieder Wärmemengen liefern kann.
Durch den oben beschriebenen Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems ist die Trägheit der Wärmeübertragung äußerst gering und es kann in kurzer Zeit nach Aufnahme von Wärme durch das zweite Medium auch bereits Nutzwärme an den Wärmeverbrauchern entnommen werden. Das bedeutet, dass beispielsweise notwendige Aufheizvorgänge, wie beispielsweise bei einer Inbetriebnahme oder beim Wiederaufheizen nach Absenkungsphasen ein solches Wärmeversorgungssystem sehr schnell notwendige Wärmemengen liefern kann.
In der Wärmesenke ist nur ein sehr geringes Speichervolumen vorhanden, das zunächst aufgeheizt und später auf der gleichen Solltemperatur gehalten werden muss, wie das Heizmedium. Daraus ergeben sich einerseits der hohe Wirkungsgrad und andererseits die hohe Reaktionsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 — Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems.
In einem ersten Leitungskreis 1 sind wenigstens ein Wärmeerzeuger 2 und ein Wärmeverbraucher 3 angeordnet. Über eine Pumpe 4, die auf der Zulaufseite (kalte Seite des Wärmerzeugers) angeordnet ist, wird der notwendige Kreislauf aufrechterhalten. Auf der warmen Seite des Wärmeerzeugers ist zudem ein Rückflussverhinderer 5 angeordnet.
Der Wärmeverbraucher 3 wird mithilfe eines 3/3-Ventils 6 und einer Pumpe 7 so geschaltet, dass eine Rückkopplung über eine Rücklaufleitung 8 möglich ist und mithilfe des 3/3-Ventils 6 erforderlichenfalls ein Notumlauf bei Verschluss des Wärmeverbrauchers 3 gewährleistet werden kann. Für diesen Fall kann das 3/3-Ventil 6 von einer in 1 nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert werden.
An den ersten Leitungskreis 1 ist ein zweiter Leitungskreis 9 anschließbar, der eine Pumpenanordnung 10 und wenigstens ein Speicherelement 11 enthält. Für die Anbindung des zweiten 9 an den ersten Leitungskreis 1 sind in diesem zusätzlich hydraulische Weichen 12 und 13 angeordnet. Dabei handelt es sich letztlich um Leitungsabschnitte mit einem größeren Innendurchmesser, die ein weitgehend freies Vermischen der Medienströme ermöglichen.
Bei einem Überschuss in dem Wärmeerzeuger 2 erzeugter Wärmemengen kann über die Leitung 14 die Pumpenanordnung 10 dergestalt aktiviert werden, dass sie aus dem Speicherelement 11 über die Leitungen 15 und 14 Medium mit einer niedrigeren Temperatur der hydraulischen Weiche 12 zuführt, während gleichzeitig über die Leitung 16 erwärmtes Medium in das Speicherelement 11 gefördert und dasselbe faktisch aufgeladen wird.
Die Richtung des Druckstroms kann ebenso umgekehrt werden, indem in der Pumpenanordnung 10 die Förderrichtung gewechselt wird, sodass aus der hydraulischen Weiche 12 kühleres Medium in das Speicherelement 11 gefördert wird, dadurch eine Verdrängung von Medium mit höherer Temperatur über die Leitung 15 in die hydraulische Weiche 13 erfolgt und die geförderten Wärmemengen dem Wärmeverbraucher 3 zur Verfügung stehen.
Das Speicherelement 11 besteht im Wesentlichen aus einem Behälter 17 mit einem größeren Volumen, in dem sich ein Übergangsbereich 18 zwischen dem an sich kalten Bereich 19 und dem warmen Bereich 20 ausgebildet hat. Dabei wird durch die Ausgestaltung der Zu- beziehungsweise Ableitungen sichergestellt, dass beim Laden bzw. Entladen des Speicherelements keine ungewollte Vermischung des Speichermediums und damit keine irgendwie geartete Durchschnittstemperatur im Speicherelement 11 entsteht, was letztlich die Trägheit des Speicherelements 11 erhöhen würde.
In einem dritten Leitungskreis 21, der mit den hydraulischen Weichen 12 und 13 über die Leitungen 22 und 23 mit den hydraulischen Weichen 12 und 13 verbindbar ist, wird eine Wärmesenke 24 an den ersten Leitungskreis 1 angeschlossen.
Die Wärmesenke enthält wenigstens eine erste Rohrschlange 25, die an ihren Anschlüssen 26 und 27 mit einer externen Wärmequelle, die in 1 nicht dargestellt ist, verbunden sein kann. Solcher Art externer Wärmequellen können thermische Solarkollektoren sein, Warmwasserkreisläufe von Wärmepumpen, Kühlwasserkreisläufe von Motoren oder technischen Anlagen oder Kreisläufe von Wärmetauschern, die beispielsweise in Abgasanlagen von Motoren oder technischen Anlagen installiert sind.
Eine zweite Rohrschlange 28 kann mit ihren Anschlüssen 29 und 30 wiederum mit einer externen Wärmequelle der oben beschriebenen Art verbunden sein.
Es ist auch möglich, die Rohrschlangen 25 und 28 jeweils mit ihren Anschlüssen 26 und 29 sowie 27 und 30 zusammenzuschließen und somit eine Parallelschaltung beider Rohrschlangen 25 und 28 zu erreichen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Rohrschlange 28 der Verbindung mit externen Wärmeerzeugern dient, während die Rohrschlange 25 der Brauchwassererwärmung dient und damit einen separaten vierten Leitungskreis, der mit dem Wärmeversorgungssystem an sich nicht gemein hat, bildet.
Für die Brauchwassererwärmung kann allerdings auch eine weitere Rohrschlange 31 eingesetzt werden.
Mithin kann jede der drei Rohrschlangen 25, 28 und 31 entweder mit einer externen Wärmequelle verbunden sein, in einer Parallelschaltung zusammengeschaltet sein oder jede der Rohrschlangen 25, 28 und 31 wird über einen separaten, in 1 nicht dargestellten Leitungskreis mit einem Wärmeerzeuger oder einem Wärmeverbraucher verbunden.
Um eine hohe Effektivität bei Übertragungsprozessen zwischen den Medien in der Wärmesenke 24 zu erreichen, ist deren Volumen klein gehalten und der Behälter 32 in seiner Außenform so gewählt, dass er nur eine geringe Oberfläche hat.
Vorzugsweise wird der Behälter 32 deshalb als zylindrischer Behälter mit flachen Stirnseiten ausgeführt und zusätzlich wärmegedämmt.
Für die Rohschlangen 25, 28 und 31 werden bevorzugt nicht rostende Stähle verwendet, um eine lange Gebrauchsdauer der Wärmesenke 24 zu erreichen. Alternativ kann diese auch mit Werkstoffen ausgeführt werden, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.
Besonders bevorzugt werden für die Erzeugung der Rohrschlangen 25, 28 und 31 Wellrohre oder Wellschläuche. Diese ermöglichen es, dass bei Überschreiten bestimmter Strömungsgeschwindigkeiten in den Wellentälern eine turbulente Strömung entsteht. Diese turbulente Strömung sichert einen effektiven Wärmeaustausch.
Die rohrförmige Ausführung des Behälters 32 sichert in Verbindung mit entsprechend dimensionierten Rohrschlangen 25, 28 und 31 auch eine turbulente Strömung im Behälterinneren 33, sodass die Umwandlungsprozesse in der Wärmesenke 24 effektiv verlaufen.
Durch die Verwendung von Wellrohren oder Wellschläuchen für die Rohrschlangen 25, 28 und 31 entsteht des Weiteren der Vorteil, dass bei Temperaturwechseln ein Ausdehnungsprozess entsteht, der zugleich Ablagerungen in den Rohrschlangen 25, 28 und 31 verhindert. Jedenfalls würden durch ständige Änderungen der Dimensionen sich bildende Ablagerungen immer wieder abgelöst und im Medienstrom verbleiben.
Im Behälter 32 der Wärmesenke 24 ist ferner ein Elektroheizkörper 34 integriert, der entweder bei Vorhandensein preiswerter Mengen an Elektroenergie das Erwärmen des Heizmediums übernimmt oder bei Nichtbenutzung des Wärmeversorgungssystems eine Solltemperatur in der Wärmesenke 24 aufrechterhält, die für die Brauchwassererwärmung notwendig ist. Er kann ebenso zu Zwecken des Frostschutzes eingesetzt werden.
Mit der oben beschriebenen Anordnung des Wärmeversorgungssystems wird erreicht, dass bei Benutzung des Wärmeerzeugers 2 ohne nochmalige Umwandlungsvorgänge das erwärmte Heizmedium direkt dem Wärmeverbraucher 3 zugeführt und damit ein energieökonomischer Betrieb gewährleistet wird.
Weiterhin wird erreicht, dass der im Wärmeversorgungssystem vorhandene Wärmeerzeuger 2 in vielen Anwendungsfällen vollständig durch äußere Wärmequellen und die von diesen gelieferten Wärmemengen ersetzt werden kann, wobei diese über die hoch effektiv arbeitende Wärmesenke 24 in das Wärmeversorgungssystem eingekoppelt werden.
In den Fällen, bei denen externe Energiequellen Medienströme erzeugen, die nur in einem eigenen Leitungskreis geführt werden können, werden die Austauschprozesse über eine Wärmesenke und dort jeweils angeordnete Rohrschlangen 25, 28 und 31 geführt.
Ergibt die Wärmebilanz der Wärmeversorgungseinrichtung einen Überschuss an Wärmemengen, können diese über den zweiten Leitungskreis 9 und ein dort angeordnetes Speicherelement 11 zwischengespeichert werden. Über das Speicherelement und eine diesem zugeordnete Pumpenanordnung 10 kann so ei Ausgleich bei tageszeitlich schwankendem Aufkommen an Wärmemengen aus externen Wärmequellen erreicht werden.
Das in 1 schematisch dargestellte Wärmeversorgungssystem lässt sich auf vielfache Weise erweitern und ergänzen. So können dem Speicherelement 11 eine beliebige Anzahl weiterer gleichartiger Speicherelemente zugeordnet und auf diese Weise eine Speicherbatterie erzeugt werden. Ebenso steht der Wärmeverbraucher 3 stellvertretend für eine Mehrzahl von Wärmeverbrauchern. Ebenso für unterschiedliche Einsatzfälle dieser Wärmeverbraucher. So können in einem oder in mehreren Gebäuden Heizkörper als Wärmeverbraucher eingesetzt sein. Ebenso können Gewächshäuser, Swimmingpools oder Lufterhitzer anstelle der Wärmeverbraucher 3 eingesetzt werden. Weiterhin können mehrere Wärmesenken 24 parallel geschaltet werden. Dies kann bei entsprechend hohem Umsatz an Wärmemengen ebenso notwendig sein, wie bei einer größeren Zahl anzuschließender Wärmequellen.
Da 1 nur das Grundschema für das erfindungsgemäße Wärmeversorgungssystem zeigt, ist es für einen Fachmann verständlich, dass bei der Errichtung eines solchen Systems mit allen jeweils erforderlichen Optionen in die verschiedenen Leitungen noch Pumpen und/oder Steuerelemente, wie sie in Wärmeversorgungssystemen üblich sind, eingebaut werden müssen. Diese sind für das Wesen der Erfindung nicht wesentlich und werden deshalb in 1 nicht gezeigt.
Eine auf das System einwirkende Steuerung, die 1 gleichfalls nicht zeigt, wirkt jeweils auf den Wärmerzeuger 2, den Wärmeverbraucher 3, das Speicherelement 11 und die Wärmesenke 24 sowie die Pumpenanordnung 10 so ein, dass einerseits mit Blick auf den Wärmebedarf innerhalb des Wärmeversorgungssystems eine ausreichende Bereitstellung von Wärmemengen erfolgt, andererseits stets die Wärmemengen den Wärmverbraucher 3 zugeführt werden, die am kostengünstigsten zu erhalten sind.
Ferner kann die übergeordnete Steuerung Notwendigkeiten aus dem Betrieb externer Wärmequellen, wie beispielsweise die Notwendigkeit eines ständigen Betriebs angeschlossener Abgaswärmetauscher, notwendige Abnahmen oder auch Aufheizprozesse an thermischen Solarkollektoren, die Wärmeabnahme aus im Betrieb befindlichen technischen Anlagen mit entsprechender Priorität verarbeiten.
Des Weiteren verfügt die Steuerung über Ausgänge zu Pumpen, die eine effektive Steuerung dieser Pumpen in Abhängigkeit von im System vorhandenen Notwendigkeiten ermöglichen. Bevorzugt wird hierbei eine Ansteuerung von Pumpen über ein Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM), so dass nur die für die geforderten Betriebsverhältnisse der Pumpen notwendige Energiemenge den Pumpen zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Wärmeversorgungsverfahren für das oben beschriebene Wärmeversorgungssystem geht davon aus, dass durch eine Steuerung zunächst auf den ersten Leitungskreis 1 dergestalt eingewirkt wird, dass der dort angeordnete Wärmeerzeuger 2 und ebenso im ersten Leitungskreis 1 angeordnete Wärmeverbraucher 3, Pumpe 4 und 3/3-Ventil 6 durch die Steuerung mit Steuerbefehlen versorgt werden.
Sofern der Wärmeerzeuger 2 einen Überschuss an Wärmemengen liefert, können diese mithilfe einer Pumpenanordnung 10 in ein Speicherelement 11, die beide im zweiten Leitungskreis 9 angeordnet sind, zwischengespeichert werden. Der zweite Leitungskreis 9 ist mit dem ersten Leitungskreis 1 verbindbar. Ebenso kann in Abhängigkeit von örtlichen Gegebenheiten eine fest installierte Einbindung ausgeführt sein.
Ein dritter Leitungskreis 21 ist gleichfalls mit dem ersten Leitungskreis 1 verbindbar oder durch eine Festinstallation an diesen gebunden. Er enthält eine Wärmesenke 24, die Wärmemengen von externen Wärmequellen übernimmt und über Austauschprozesse dem in den Leitungskreisen 1, 9 und 21 zirkulierendem Medium zuführt. Die Übernahme der Wärmemengen erfolgt mithilfe von wenigstens einer Rohrschlange 25 im Behälter 32. Die so in das Wärmeversorgungssystem eingebrachten Wärmemengen werden aus dem dritten Leitungskreis 21 dem ersten Leitungskreis 1 zugeführt und mit dem dort zirkulierenden Medium vermischt. Bei entsprechendem Aufkommen kann das im ersten Leitungskreis 1 zirkulierende Medium allein aus der Wärmesenke 24 zugeführt werden, während der Wärmeerzeuger 2 entweder stillgesetzt oder in seiner Leistung deutlich gedrosselt wird.
Die im Wärmeversorgungssystem vorhandenen Elemente werden durch eine Steuerung so zusammengefasst und angesteuert, dass auf der Grundlage einer Wärmebilanz zunächst ermittelt wird, welcher Wärmebedarf überhaupt besteht. Durch Vergleich mit dem Wärmeangebot aus Wärmeerzeuger 2, Wärmesenke 24 und Speicherelement 11 wird über einen Algorithmus eine Verarbeitung von Eingangsinformationen zu Steuerbefehlen für einzelne Elemente des Wärmeversorgungssystems ausgeführt.
Dabei wird im Allgemeinen der Bedarf an Wärmemengen für den Wärmeverbraucher 3 mit höchster Priorität behandelt und die Wärmequellen entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit zur Lieferung der benötigten Wärmemengen aufgehoben. Dabei kann die Wärmesenke 24 dergestalt priorisiert sein, dass ihr von externen Wärmequellen kontinuierlich Wärmemengen zugeführt werden, die im Interesse einer stabilen Verfahrensführung bei der externen Quelle übernommen werden müssen. Davon abhängig werden mit höchster Priorität der Wärmebedarf und nachrangig die Speicherung von Wärmemengen ausgeführt.
Eine Zufuhr von Wärmemengen wird bevorzugt aus dem dritten Leitungskreis 21 erfolgen. Mit niederer Priorität werden Wärmemengen aus dem Speicherelement 11 abgerufen. Schließlich wird nur dann, wenn der Wärmebedarf nicht gedeckt werden kann, der Wärmeerzeuger 2 in Betrieb genommen.
Der in der Steuerung ausgeführte Algorithmus berücksichtigt neben den oben genannten Hauptbedingungen im Übrigen ein Betriebsregime, durch das Aufwendungen an Elektroenergie ebenfalls minimiert werden. So kann eine Ausgestaltungsvariante der Steuerung vorsehen, dass insbesondere im Wärmeversorgungssystem vorhandene Pumpen über Anschlüsse angesteuert werden, die eine so genannte Pulsweitensteuerung (PWM) ausführen.
Schließlich sieht eine Ausgestaltungsform des Verfahrens auch vor, durch die Steuerung einen Heizkörper 34 in der Wärmesenke 24 anzusteuern. Der Heizkörper 34 kann dabei eine Solltemperatur in der Wärmesenke 24 aufrechterhalten.
Eine Ausgestaltungsform des Verfahrens kann vorsehen, den Kreislauf zu einem thermischen Solarkollektor dergestalt vorzuwärmen, dass Vereisungen oder Schneebedeckungen des Solarkollektors zügig abgetaut werden und derselbe schneller zur Gewinnung von Wärmemengen zur Verfügung steht.
Eine weitere Ausgestaltungsform des Verfahrens kann vorsehen, die Wärmesenke 24 mithilfe des Heizkörpers 34 als Elektroboiler zu betreiben. Dies kann dann zweckmäßig sein, wenn ein kostengünstiges Angebot an Elektroenergie zur Verfügung steht und sich eine elektrische Heizung über die Wärmesenke 24 lohnt.
Die Erfindung hat also den Vorteil, dass ein Wärmeversorgungssystem vorgeschlagen wird, das mit geringem Aufwand an Bauteilen effektiv betrieben werden kann und das insbesondere mit einer hoch effektiv arbeitenden Wärmesenke ausgestattet ist, die praktisch keine Trägheit hat. Es ist weiterhin ein Vorteil der Erfindung, dass ein Wärmeversorgungsverfahren ausgeführt werden kann, bei dem schnell und in ausreichendem Maß Wärmemengen zur Verfügung gestellt werden können, wobei mithilfe einer angepassten Steuerung die Möglichkeiten eines effektiven Betriebs des Wärmeversorgungssystems und etwaige bestehende Notwendigkeiten hinsichtlich der Gewinnung von Wärmemengen und des Wärmeverbrauchs berücksichtigt werden.
Bezugszeichenliste

1: Leitungskreis
2: Wärmeerzeuger
3: Wärmeverbraucher
4: Pumpe
5: Rückflussverhinderer
6: 3/3-Ventil
7: Pumpe
8: Rücklaufleitung
9: Leitungskreis
10: Pumpenanordnung
11: Speicherelement
12: hydraulische Weiche
13: hydraulische Weiche
14: Leitung
15: Leitung
16: Leitung
17: Behälter
18: Übergangsbereiche
19: kalter Bereich
20: warmer Bereich
21: Leitungskreis
22: Leitung
23: Leitung
24: Wärmesenke
25: Rohrschlange
26: Anschluss
27: Anschluss
28: Rohrschlange
29: Anschluss
30: Anschluss
31: Rohrschlange
32: Behälter
33: Behälterinneres
34: Heizkörper

Claims

Wärmeversorgungssystem, wenigstens bestehend aus einem ersten Leitungskreis (1) mit einem Wärmeerzeuger (2) und einem Wärmeverbraucher (3), in dem mit wenigstens einer Pumpe (4) erwärmtes Medium vom Wärmeerzeuger (2) zum Wärmeverbraucher (3) transportiert wird, und einem zweiten Leitungskreis (9), der mit dem ersten (1) und/oder dem dritten Leitungskreis (21) verbindbar ist und ein Speicherelement (11) sowie eine Pumpenanordnung (10) enthält, einem dritten Leitungskreis (21), der mit dem ersten Leitungskreis (1) verbindbar und in dem eine Wärmesenke (24) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Wärmesenke (24) Wärmeerzeuger eingekoppelt werden, die eine mit der Solltemperatur im ersten Leitungskreis (1) nicht übereinstimmende Temperatur haben oder die mit einem vom Medium im ersten Leitungskreis (1) abweichenden Medium arbeiten müssen.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (24) einen vierten unabhängigen Leitungskreis hat, in dem in der Rohrschlange (31) der Wärmesenke (24) Frischwasser erwärmt wird.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (24) ein Wärmetauscher ist, der ein Volumen von maximal 100 l hat.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Separatorfläche von wenigstens 250 cm²/l Behälterinhalt, bezogen auf die Rohrschlangen (25) und/oder (28) hat.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen Separator in der Form einer Rohrleitungsspirale mit einer profilierten Wandung hat.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator eine Rohrleitungsschlange aus Wellrohr oder Wellschlauch ist.
Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Wärmetauscher über eine erste Rohrschlange (25) ein solarthermisches Modul anschließbar ist, über eine zweite Rohrschlange (28) eine Wärmepumpe, ein Kühlkreislauf eines Abwärme erzeugenden Gerätes, ein erwärmtes Medium aus einem Abgaswärmetauscher oder eine andere Wärmequelle anschließbar ist.
Wärmeversorgungsverfahren für ein Wärmeversorgungssystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Leitungskreis (1) mit einem Wärmeerzeuger (2) ein erwärmtes Heizmedium erzeugt und mithilfe einer Pumpe (4) zu einem Wärmeverbraucher (3) gefördert wird, eine in einem dritten Leitungskreis (21) angeordnete Wärmesenke (24) erwärmtes Medium liefert, das direkt in den ersten Leitungskreis (1) eingespeist wird, mit dem im ersten Leitungskreis (1) zirkulierenden Medium vermischt wird oder dieses ersetzt und bei dem mithilfe einer Steuerungseinrichtung aus dem Wärmebedarf des Wärmeverbrauchers (3), dem Wärmeangebot der Wärmesenke (24), der erzeugbaren Wärmemenge des Wärmeerzeugers (2) eine Wärmebilanz erstellt wird und ein in der Wärmebilanz ausgewiesener Wärmebedarf bevorzugt aus der im dritten Leitungskreis (21) angeordneten Wärmesenke (24) gedeckt wird.
Wärmeversorgungsverfahren für ein Wärmeversorgungssystem nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung bei einem Überangebot an Wärmemengen aus der Wärmesenke (24) den errechneten Überschuss in das im zweiten Leitungskreis (9) angeordnete Speicherelement (11) leitet, wobei dies mit einer im zweiten Leitungskreis (9) angeordneten Pumpenanordnung (10) geschieht.
Wärmeversorgungsverfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wärmeversorgungssystem entstandene Bedarf an Wärmemengen durch die Wärmesenke (24), bei Unterversorgung zusätzlich durch das Speicherelement (11) und bei weiter bestehender Unterversorgung durch den Wärmeerzeuger (2) erzeugt werden.
Wärmeversorgungsverfahren für Wärmeversorgungssystem nach einem der Patentansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Wärmeerzeugers (2) ein entstehender Überschuss an Wärmemengen dem Speicherelement (11) zugeführt wird.
Wärmeversorgungsverfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (24) über einen Heizkörper (34) bei Unterschreitung einer Grenztemperatur zusätzlich beheizt wird.